Articles

grænser for unge sind

abstrakt

Hvis vi går ned ad en gade, hvor vi engang blev bidt af en hund, føler vi frygt. Dette skyldes, at vores hjerner er gode til at skabe foreninger. Gaden og hundebid bliver forbundet i hjernens informationslagring. Vores hjerner kan endda huske denne kobling for evigt! Men hvordan justeres mindernes levetid? Den frygtelige oplevelse efterlader et spor, der registreres i en lille gruppe neuroner i hjernen. Hver hukommelse har sin egen gruppe af neuroner, der består af forskellige typer celler. I laboratoriet udførte vi eksperimenter for at ændre antallet af neuroner i disse grupper. Ifølge vores resultater, i en bestemt del af hjernen kaldet hippocampus, er antallet af neuroner i en gruppe vigtigt for hukommelsen. Tilføjelse af neuroner til gruppen forbedrer hukommelsen, mens fjernelse af dem accelererer glemme. En særlig type neuron i hjernen styrer størrelsen af disse grupper. Vi mener, at denne proces regulerer mindernes levetid.

minder gemmes i vores hjerner

vores hjerner er små labyrinter af hjerneceller kaldet neuroner. Den menneskelige hjerne består af omkring 100 milliarder neuroner. Hvis neuroner var på størrelse med et sandkorn (de er faktisk meget mindre!) vi kunne fylde omkring 8.500 sodavand med neuroner fra en enkelt menneskelig hjerne. Neuronernes opgave er at sende signaler mellem celler. Hver af vores neuroner har omkring 10.000 muligheder for at danne forbindelser med nærliggende neuroner. Ikke alle neuroner er ens. Mens nogle neuroner sender signaler til andre celler, der fortæller dem at være aktive, kan andre hæmme deres naboer og forhindre dem i at sende signaler. Som forskere er vi interesserede i, hvordan hjernen fungerer og gemmer minder ved hjælp af denne komplicerede labyrint af neuroner. Vi begynder at forstå, at kun nogle neuroner, der er placeret i visse dele af hjernen, bærer mindet om mennesker, fakta og steder, der definerer hver enkelt af os historie.

forskellige typer hukommelse

Vi har evnen til at danne to forskellige typer langvarige minder. For det første kan vi lære at udføre visse handlinger, såsom at tale, cykle eller spille et musikinstrument, og vi vil huske, hvordan vi gør disse ting for evigt. Vi lærer disse handlinger på en måde, der lader os ubevidst gentage dem, hvilket betyder, at vi kan udføre disse handlinger uden at skulle tænke på dem for at huske dem. Andre typer minder kræver dog noget, der kaldes forsætlig tilbagekaldelse. Det betyder, at vi skal tænke på disse ting for at huske dem. Eksempler på denne form for hukommelse er ting som vores første klasses lærers navn, Betydningen af ord eller gaden, hvor vi blev angrebet af en hund.

læring ved forening

i vores laboratorium studerer vi den slags minder, som vi med vilje kan huske. I vores hverdag danner vi meget ofte denne type hukommelse ved en proces kaldet forening. Læring ved forening blev først undersøgt af en russisk videnskabsmand ved navn Ivan Pavlov. Pavlov spillede en kliklyd til sultne hunde, før de fodrede dem kød. Han bemærkede, at første gang han gjorde, at hundene producerede spyt, da kødet blev givet til dem (som vi alle gør, for at forberede os til at fordøje mad). Men hundene spyttede ikke som svar på kliklyden alene (de havde ingen grund til at gøre det). Men efter at have lavet kliklyden og givet hundene kødet et antal gange, begyndte hundene at salivere som svar på kliklyden, før de modtog mad. Dette skyldes, at hundene lærte sammenhængen mellem kliklyden og kødet, selvom disse to ting tidligere ikke var relateret til dem. Denne form for læring ved forening findes hos de fleste dyr (inklusive honningbier, havsnegle og mus) og selvfølgelig hos mennesker. At gå ned ad en bestemt gade får dig til at føle dig helt normal, indtil den dag du bliver bidt af en hund på den gade. Fra det øjeblik og i lang tid ind i fremtiden vil du føle frygt, når du går ned ad gaden, fordi du forbinder dette sted med smerten forårsaget af den hårde hund.

en hjerneområde kaldet Hippocampus er fødestedet for minder

at blive bidt af en hund på gaden er et godt eksempel på den slags hukommelse, vi studerer i laboratoriet. Vi bruger musens store hukommelsesevner til at træne dem til at frygte farlige steder (som gaden med den hårde hund) eller til at foretrække sikrere steder (en anden, stille gade). Flere dage efter træning af dem fortæller musene os, at de husker det skræmmende sted ved at vise frygt, selvom faren ikke længere er til stede (på samme måde som vi frygter gaden, selvom vi ikke kan se hunden). Hvis musene placeres på et andet,” sikkert ” sted, viser de ingen frygt. For nogen tid siden blev det opdaget, at denne frygthukommelse er skabt i en bestemt del af hjernen kaldet hippocampus, opkaldt efter dens havhestlignende form (Hippocampus er navnet givet af forskere til den lille tropiske fisk kaldet havheste) . Desværre har vi flere eksempler på mennesker, der efter ulykker eller sygdomme har alvorlig skade på hippocampus (eller hippocampi i flertal, da vi har en hippocampus på hver side af hjernen). Skader på hippocampus efterlader folk ude af stand til at danne nye minder; derfor bliver de amnesiske, hvilket betyder, at de har amnesi, som du måske har hørt om. Desuden hæmmer sygdommen, som forårsager neurondød i hippocampus, evnen til at huske de seneste begivenheder og forårsager et progressivt hukommelsestab.

ikke alle ad gangen: en lille gruppe neuroner for hver hukommelse

så hvad sker der i hippocampus, når mus lærer at huske en frygtelig placering? En lille brøkdel af neuronerne i en bestemt del af hippocampus kaldet dentate gyrus bliver aktiv. I den dentate gyrus er neuroner normalt meget stille, men en lille gruppe af dem (mindre end 10% af neuronerne i dentate gyrus) viser høje aktivitetsniveauer, når mus udforsker en ny placering. I laboratoriet kan vi identificere disse neuroner (Figur 1). Interessant nok er de små grupper af neuroner i dentate gyrus, der bliver aktive, når mus udforsker nye steder, ikke altid de samme. Hvis mus den følgende dag udforsker et andet sted, vil en anden gruppe neuroner blive aktive . Under disse omstændigheder vil hver ny udforsket placering aktivere en bestemt gruppe neuroner.

Figur 1
  • Figur 1
  • A. placeringen af hippocampus er vist i tegneserien af musehjernen og nedenunder vises et mikroskopbillede af en musehjerne med hippocampus farvet i grønt (den hvide bjælke i musehjernen vises i nederst til højre repræsenterer 1 mm). Området inde i de firkantede hvide prikker er dentate gyrus,som vises større i B, C. I dentate gyrus, en lav brøkdel af neuroner bliver aktive, når mus går fra en hviletilstand B. Til aktiv udforskning af en ny placering C. Ved hjælp af en laboratorieteknik begynder aktive neuroner at udsende grønt lys (grønne cirkler i den nederste del af B, C.) og kan skelnes fra inaktive neuroner,der forbliver mørke (hvide cirkler).

styring af neuroner med lys

men hvad er disse grupper af aktiverede neuroner gode til? For at besvare dette spørgsmål har mange laboratorier rundt om i verden brugt optogenetik, en teknik, der gør det muligt for forskere at tænde eller slukke neuronernes aktivitet ved at blinke lys på dem. Optogenetik er en blanding af laboratorieteknik og laserlys. Laboratorieteknikken involverer specielle lysfølsomme proteiner (svarende til dem i vores øjne), der modificeres og sættes i neuroner. Blinkende lys på disse neuroner ændrer derefter deres elektriske egenskaber, hvilket gør dem aktive eller inaktive, “til” eller “fra” . Dette kaldes en optogenetisk kontakt, der tænder eller slukker neuroner med lysglimt.

manipulering af minder

forskere har brugt optogenetik til at studere hukommelse. De satte en optogenetisk Kontakt ind i den lille gruppe neuroner, der var aktive i musene, der lærte at frygte et bestemt sted. Flere dage senere, da musene blev returneret til det sted, brugte de denne kontakt til at tavse eller “slukke” den gruppe neuroner med lys. Da de gjorde dette, viste musene ingen frygt på det skræmmende sted, hvilket betyder, at de ikke var i stand til at huske, som om hukommelsen blev slettet ! Uden den lille gruppe neuroner, der var aktive under hukommelsesdannelse, er tilbagekaldelse ikke mulig (figur 2). På en eller anden måde efterlod den frygtelige oplevelse et holdbart aftryk i hjernen, specifikt i den lille gruppe neuroner i hippocampus. Dette aftryk, som forskere kalder et engram, er det, der tillader mus (og os!) at gemme minder og gør fremtidig tilbagekaldelse mulig.

figur 2
  • figur 2
  • mus lærer at forbinde en bestemt placering med en skræmmende stimulus (for eksempel en kat). En uge senere viser de frygt, når de sættes tilbage på samme sted, fordi de husker den frygtelige oplevelse. Den samme gruppe neuroner, der var aktive, da musene først så katten, skal genaktiveres for at forårsage hukommelsen. Hvis disse neuroner tavles (OFF-symboler), kan musene ikke huske, hvad der skete i buret og viser ingen frygt på det sted, hvor de så katten.

hvorfor bare et par neuroner til en hukommelse?

det, der forundrede os, var at forstå, hvorfor engrammet blev dannet af kun få neuroner. Husk, at mindre end 1 ud af hver 10 neuroner i hippocampus dentate gyrus deltager i opbevaring af en bestemt hukommelse! Kunne dette have noget at gøre med, hvor længe en bestemt hukommelse vil blive gemt i hjernen? For at begynde at besvare disse spørgsmål brugte vi optogenetik til lidt at ændre antallet af neuroner i engrammet. Vi opdagede, at tilføjelse af et par neuroner til engrammet fik mus til at huske det frygtelige sted i længere perioder, men færre neuroner svækkede hukommelsen. Så antallet af neuroner i engrammet er klart vigtigt for hukommelsen! Men hvordan styrer hjernen antallet af neuroner involveret i en bestemt hukommelse?

hæmmende neuroner styrer

i hjernen har vi forskellige typer neuroner. I hippocampus er størstedelen af neuronerne spændende. Stimulerende neuroner øger aktiviteten af de andre neuroner, de kommer i kontakt med. Men vi har også en lille brøkdel af hæmmende neuroner i hippocampus. Når de er aktive, fortæller hæmmende neuroner andre neuroner at være tavse og inaktive (figur 3a). Uden hæmmende neuroner ville vores hjerne have for meget aktivitet i gang og ville ikke fungere ordentligt. Nogle hæmmende neuroner kontakter et enormt antal andre neuroner. Da vi kiggede mere detaljeret, opdagede vi, at de fleste neuroner i engrammet var spændende, men en lille brøkdel var hæmmende. Vi troede straks, at hæmmende neuroner kunne kontrollere antallet af neuroner i engrammet. Vi manipulerede hæmmende neuroner under hukommelsesdannelse og gjorde et vigtigt fund. Når hæmmende neuroner blev tavs, blev der skabt større engrammer, og frygtens placering blev husket i længere tid. Da vi tvang hæmmende neuroner til at være aktive, var færre neuroner involveret i hukommelsen, og hukommelsen om den frygtelige placering var svagere. Således kan hæmmende neuroner ændre antallet af hukommelsesneuroner og levetiden for en hukommelse (figur 3b).

figur 3
  • figur 3
  • A. spændende neuroner sender aktiverende signaler til målneuroner (grøn linje). Spændende neuroner kan aktivere hæmmende neuroner, der igen tavler målneuroner (rød linje). B. hæmmende neuroner styrer antallet af neuroner, der skaber frygthukommelse. Hvis hæmning svækkes, vil flere neuroner blive aktive (grønne) under oprettelsen af en frygthukommelse, og hukommelsen vil være stærkere. Når hæmning er stærk, vil færre neuroner være involveret i hukommelseskodning, og hukommelsen vil blive svækket.

for at bevare hukommelsen skal hjernen justere antallet af involverede neuroner

ved at variere antallet af neuroner involveret i hukommelsen var vi i stand til at gøre hukommelsen mere eller mindre holdbar! I vores undersøgelse demonstrerede vi, at minder kodet af et lille antal neuroner kun vil blive husket i en kort periode, mens et stort antal neuroner vil give anledning til minder, der vil vare længere . Vi ved, at når engrammer er over en vis størrelse, fungerer hukommelsen slet ikke. Så vores hjerner er nødt til at justere antallet af neuroner i engrammet, og hæmmende neuroner er en del af systemet, der styrer engramstørrelsen. Jo mere vi kan forstå om de mekanismer, der er involveret i stabiliteten af minder, jo tættere kommer vi til at forstå den samlede lagerkapacitet i vores hjerner. Hjernesygdomme og-lidelser kan føre til hukommelsesproblemer, som dem, der ses i sygdommen, men kan også føre til “overdrevne” minder (ofte forbundet med dårlige oplevelser) som i posttraumatisk stresslidelse. Vi planlægger nu at undersøge, om de hukommelseslagringsmekanismer, vi beskriver i vores arbejde, er påvirket af disse hjernesygdomme.

ordliste

tilbagekaldelse: For at danne en hukommelse skal vores hjerne først omdanne oplevelse til noget, der kan gemmes i vores hjerne. Recall er den proces, vi udførte for at få og bringe disse oplysninger tilbage fra fortiden.

Hippocampus: en gammel region i hjernen, der er vigtig for at kontrollere følelser, motivation og hukommelse. Det behandler informationen om det rum, der omgiver os, og danner rumlige kort, der for eksempel giver dig mulighed for at finde vej fra hjem til skole.

amnesi: tab af hukommelse forårsaget af sygdom, medicin eller traumatiske oplevelser. Det er typisk forbundet med skader på en region i hjernen, der omfatter hippocampus. Andre intellektuelle færdigheder forbliver intakte på trods af manglende evne til at huske.

Dentate gyrus: en lille del af hippocampus. Den består af hundredtusinder af neuroner, der modtager information om omverdenen. Den dentate gyrus er afgørende for dannelsen af nye minder. Dentate gyrus er et af de få steder i hjernen, hvor nye neuroner dannes gennem hele livet.

Engram: det fysiske mærke, som oplevelser forlader i hjernen. Mærket er både fysisk (neuroner ændrer deres form) og kemisk (neuroner ændrer deres sammensætning). Engrammet bruges af hjernen til at gemme og huske. Engrammet er vanskeligt at observere, fordi det er skjult i nogle af de milliarder neuroner i hjernen.

posttraumatisk stresslidelse: en psykisk lidelse, der sker efter at have været udsat for en meget vanskelig eller ubehagelig oplevelse (f.eks. Måneder eller år efter oplevelsen lider patienter frygtelige tanker, følelser eller drømme relateret til den traumatiske oplevelse. Nogle forskere mener, at tvinge glemme af disse meget stærke minder vil hjælpe patienter med posttraumatisk stresslidelse.

interessekonflikt Erklæring

forfatterne erklærer, at forskningen blev udført i mangel af kommercielle eller økonomiske forhold, der kunne fortolkes som en potentiel interessekonflikt.

oprindelig Artikelreference

Stefanelli, T., Bertollini, C., Luscher, C., Muller, D. og Mendes, P. 2016. Hippocampal somatostatin interneuroner styrer størrelsen af neuronale hukommelsesensembler. Neuron 89: 1074-85. doi: 10.1016 / j.neuron.2016.01.024

Frankland, P. V. og Bontempi, B. 2005. Organisering af nylige og fjerne minder. Nat Rev. Neurosci. 6:119–30. doi:10.1038 / nrn1607

Ramires, S., Liu, Lin, P. A., Suh, J., Pignatelli, M., Redondo, R. L., et al. 2013. Oprettelse af en falsk hukommelse i hippocampus. Videnskab 341: 387-91. doi:10.1126 / videnskab.1239073

Deisseroth, K. 2011. Optogenetik. Nat. Metoder 8: 26-9. doi: 10.1038 / nmeth.f.324

Tanaka, K. S., Pevsner, A., Hamidi, A. B., Y., Graham, J. og Viltgen, B. J. 2014. Kortikale repræsentationer genindføres af hippocampus under hukommelse hentning. Neuron 84:347-54. doi:10.1016 / j. neuron.2014.09.037

Stefanelli, T., Bertollini, C., Luscher, C., Muller, D. og Mendes, P. 2016. Hippocampal somatostatin interneuroner styrer størrelsen af neuronale hukommelsesensembler. Neuron 89: 1074-85. doi:10.1016 / j. neuron.2016. 01. 024

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.